深海J型鋪管法管線參數(shù)敏感性分析*

王知謙　楊和振　楊　啟

(上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院 上海 200240)

深海J型鋪管法管線參數(shù)敏感性分析*

王知謙楊和振楊啟

(上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院 上海 200240)

摘要：J型鋪管法是適用于深海管線鋪設安裝的先進技術之一，研究J型鋪管過程中管線的參數(shù)敏感性分析有助于認識J型鋪管法的技術難點和評估安裝的安全性.通過理論解析計算法和有限元法對J型鋪管過程中的管線進行了整體靜、動力學對比分析，比較總結了不同鋪設條件和海洋環(huán)境參數(shù)下管線的力學響應規(guī)律和程度.研究結果表明：管線頂部與觸底點區(qū)域是至關重要的區(qū)域；水深和管線下放初始傾角對力學性能影響很大，初始傾角參數(shù)需得到精確控制.

關鍵詞：管線；安裝；J型鋪管法；靜力分析；動力響應

王知謙 (1991- )：男，碩士生，主要研究領域為海洋工程結構分析

0引言

海底管線運輸作為海上油氣輸送最經(jīng)濟的運輸方式，在海洋油氣開發(fā)過程中起著無可替代的作用.隨著海洋油氣資源的開發(fā)逐漸步入深海領域，對海底管線鋪設安裝技術的要求也不斷增大，傳統(tǒng)適用于近海和淺海的管線鋪設方法(如S型鋪管法)開始顯現(xiàn)弊端.J型鋪管法依靠其特有的深海管線鋪設優(yōu)勢，發(fā)展前景較好.J型鋪管法將導管架以近似垂直的角度置于鋪管船上，管線沿導管架以自然下垂的形式下放鋪設，在重力和浮力作用下管線呈現(xiàn)自然的J型，見圖1.

圖1　J型鋪管法示意圖

相比傳統(tǒng)S型鋪管法，J型鋪管法取消了S型鋪管法船尾部的托管架.因此，在S型鋪管過程中極易產(chǎn)生嚴重塑性變形的拱彎段不復存在，管線頂部應變和應力得以改善.同時，管線接近垂直下放，張緊器所需提供的水平張力相應減小，對鋪管船水平動力的需求大幅降低，使船的動力定位較容易實現(xiàn).J型鋪管法在深海管線鋪設中有著眾多優(yōu)勢，但其實際應用也面臨諸多挑戰(zhàn)，管線的力學特性分析將會十分復雜，亟待深入研究.

國內(nèi)外學者對J型鋪管法進行了相關研究.M.Pulici等[1]基于2002年的BlueStream黑海管線鋪設項目，通過有限元模型對管線在J型鋪管法鋪設過程中的靜態(tài)整體構型和彎矩分布進行分析.Lenci[2]建立了適合研究J型鋪管法管線力學問題的解析計算模型，包括3種用于管線整體分析的邊界類型.M.Szczotka[3]提出運用剛性有限元模型分析J型鋪管過程中的管線力學問題，研究了觸底點到船舶不同的水平距離和管線頂部運動對豎直和水平張力的影響.王立忠等[4]在Lenci解析方法基礎上，提出研究J型鋪管法管線力學特性的數(shù)值計算方法，以水深、均勻流速、頂部懸掛角度和彈性海床剛度參數(shù)分析管線的靜力學性能.謝文博等[5]采用基本懸鏈線法得到J型鋪管過程中管線對船舶的近似動態(tài)模型，給出隨船體運動的管線所受作用力和構型的變化規(guī)律.H.Shiri[6]分析不同海床模型和底部邊界條件對J型鋪管法鋪設時管線觸底點區(qū)域的靜態(tài)應力影響，比較總結了不同模型的計算結果.觸底點區(qū)域指管線與海床面開始相接觸點附近的相鄰管線區(qū)域.

目前，對J型鋪管過程中的管線力學特性的研究大多進行初步靜力學分析，卻對海洋環(huán)境載荷所引起管線力學特性變化的影響考慮較少.同時，現(xiàn)有分析往往僅得出管線整體的受力狀況和參數(shù)變化影響的一般規(guī)律，至于各參數(shù)對J型鋪管法的影響程度分析則很少涉及.

針對J型鋪管法的鋪設特點，本文構建了相對完整的管線力學特性分析方法，分別討論了水深和管線鋪設初始傾角參數(shù)對J型鋪管過程中管線靜力學特性的影響程度.結合海洋環(huán)境水動力載荷，對管線在J型鋪管過程中的關鍵位置進行了詳細動力響應計算，對管線力學特性在不同海況參數(shù)下的響應進行了討論.

1J型鋪管法管線力學分析模型

1.1管線構型和力學解析模型

J型鋪管過程中，管線自然懸垂，在水中管線懸垂段的受力見圖2.

圖2　水中管線懸垂段受力圖

以管線鋪設下放的入水點作為坐標系原點，則管線弧長即為管線的計算截面到海平面范圍內(nèi)的管線的弧長.x軸沿海面水平指向管線的觸底點方向，z軸垂直海面向上.

對懸垂段管線微元進行力和力矩平衡，忽略方程中的高階項，得：

dV=Ftdlsinθ-Fndlcosθ-wdl

(1)

dH=Ftdlcosθ+Fndlsinθ

(2)

dM=Vdlcosθ-Hdlsinθ

(3)

式中：V，H和M分別為管線微元上端截面所受垂向分力、水平分力和彎矩.dl為管線微元弧長；w為單位長度管線的水中重力；θ為管線微元頂部軸線方向與水平方向的夾角；Ft和Fn分別為單位長度水動力載荷沿管線軸向和法向的分量.

在靜力分析過程中，水動力載荷不做考慮，即Ft和Fn為0，力平衡方程簡化為

dV=-wdl

(4)

dH=0

(5)

代入力矩平衡方程，對方程做無因次化改寫，可得如下方程

(6)

J型鋪管法適用于深海管線的鋪設，因此，無因次彎曲剛度α2相比其他系數(shù)較小，即在構型計算過程中可不考慮彎曲剛度的影響，方程可簡化為基本懸鏈線方程.

通過基本懸鏈線方程可推導出水下管線懸垂段的力學關系如下：

TH=(T-pgzA)cosθ

(7)

(8)

(9)

式中：TH為管線海面處所受的水平張力；T為管線截面軸向張力；ρgzA為軸向浮力修正；z為管線計算截面到海面的垂直位置，為負值；d為水深；X為管線入水點距海床上管線計算末端的水平距離.

根據(jù)彎曲計算理論和假設可推導出彎矩M=EIκ.式中，κ為管線的整體曲率.

通過對基本懸鏈線方程的求解，可以得到J型鋪管過程中管線的整體構型和所受到的截面力.

1.2管線在鋪管過程中的應力分析

J型鋪管過程中管線的應力分析一般考慮下述應力及其組合[7]

1) 軸向應力σl主要由截面軸向張力和彎矩所引起的應力.計算式為

(10)

式中：EA為管線抗拉剛度；Wz為管線截面抗彎系數(shù).

2) 周向應力σh：由內(nèi)外壓強差產(chǎn)生的應力.計算式為：

(11)

式中：Pi為管內(nèi)流體壓強；Po為管外靜水壓強；D為管線外徑，t為管線壁厚.

3) 等效應力σe：

(12)

式中：τ是管線截面剪應力，計算結果較小，可忽略.

2J型鋪管過程中管線力學特性參數(shù)化分析

2.1J型鋪管過程中管線模型及參數(shù)

在J型鋪管過程中，鋪管船前進速度相對較慢，因此，在瞬時可以將鋪設管線的懸垂段構型近似看作懸鏈線.鋼制管線和海水參數(shù)見表1.海床為剛性水平面.

表1　管線及海水參數(shù)

2.2J型鋪管過程中管線整體靜力分析

進行J型鋪管過程時，管線整體構型雖取消了如S型鋪管法中極易發(fā)生塑性變形的拱彎段，但仍存在較危險的觸地點區(qū)域.因此，研究深海J型鋪管過程中管線整體力學特性至關重要.

2.2.1水深參數(shù)對管線力學特性的影響

研究選取水深800,900,1000m和1 100m，保持管線鋪設初始傾角為80°不變，不考慮海洋環(huán)境水動力載荷，對在J型鋪管過程中管線整體的力學特性進行靜力學計算，結果見圖3～5.

圖3　不同鋪設水深下截面軸向張力沿弧長分布圖

由圖可知，在J型鋪管過程中，沿管線弧長截面最大軸向張力出現(xiàn)在頂部，且隨鋪設水深的增加截面軸向張力均逐漸增大.管線截面彎矩最大值沿弧長分布出現(xiàn)在管線觸底點區(qū)域，隨水深的增加，截面彎矩逐漸減小.管線最大等效應力沿管線弧長通常出現(xiàn)在觸底點區(qū)域，但隨水深增加，管線頂部等效應力逐漸增大，觸底點區(qū)域等效應力則逐漸減小.水深越深，對管線的應力狀況的改善越有優(yōu)勢，但相應會增加對張緊器所要提供的張力需求.

圖4　不同鋪設水深下截面彎矩沿弧長分布圖

圖5　不同鋪設水深下截面等效應力沿弧長分布圖

2.2.2鋪設初始傾角參數(shù)對管線力學特性的影響

張緊器極限張力確定時，在特定水深下進行J型鋪管法鋪設工程，為確保鋪設安全，應選擇合適的下放初始傾角，使管線整體的力學性能滿足規(guī)范要求，并提高鋪設效率.

選取下放初始傾角78°,80°,82°和85°，在水深為1 000m的情況下，對J型鋪管過程中管線的力學特性做靜力學分析.計算結果見圖6～8.

圖6　不同初始傾角下截面軸向張力沿弧長分布圖

由圖可知，隨著管線在J型鋪管過程中的下放初始傾角逐漸增大，管線截面軸向張力逐漸減小，但減小的幅度有限，可見通過調(diào)整初始傾角可以改變對張緊器所需提供張力的控制，但無法起到重大調(diào)整作用.當初始傾角越接近垂直90°時，管線觸底點區(qū)域的彎矩和等效應力有十分顯著的增加.

圖7 不同初始傾角下截面彎矩沿弧長分布圖

圖8　不同初始傾角下截面等效應力沿弧長分布圖

2.3J型鋪管過程中管線動力響應分析

由J型鋪管過程中管線整體靜力分析可得，管線頂部出現(xiàn)最大軸向張力；觸底點區(qū)域彎矩最大，等效應力也最大.因此，在J型鋪管過程中，管線頂部和觸底點區(qū)域均是鋪設工程中的關鍵位置.目前，針對管線在不同海況聯(lián)合作用下的動力響應分析已逐步得到開展，傅俊杰等[8]對深海鋼懸鏈立管進行了多工況下的非線性動力響應分析，探討觸底點區(qū)域的疲勞分析特征.楊和振等[9]對鋼懸鏈立管在海洋環(huán)境水動力載荷下的時域疲勞壽命進行了預估和研究.王愛軍等[10]對深水臍帶纜安裝參數(shù)的影響進行動力響應分析，著重探討不同海洋環(huán)境載荷對此的影響作用.

結合J型鋪管法鋪設安裝特點，下面就著重探討管線在波流聯(lián)合作用下力學特性變化的規(guī)律度.J型鋪管法鋪設水深恒定為1 000m，管線下放初始傾角為80°，管線在剛性海床平面上的邊界條件定義為簡支，頂部下放點處為固支.動力分析時長定為800s，計算步長為0.5s，選取中間穩(wěn)定段輸出計算結果.

2.3.1不同流速下管線動力響應分析

研究流速參數(shù)對管線力學特性的影響時，選取恒定不變的波浪參數(shù)：波高2m，周期6.89s.研究選取不同表層流速vb為0.3,0.4,0.6和1.0m/s，并改變海流方向，流速為正表示順流鋪設，為負表示迎流鋪設.運用限元方法進行了動力響應分析，計算結果見圖9～10，表2.

由計算結果可知，隨順流鋪設表層海流速度的增加，管線頂部軸向張力隨時間的均值逐漸增加，而觸底點區(qū)域最大彎矩隨時間的均值逐漸減小；迎流鋪設正好相反.

圖9　表層流速0.3 m/s時頂部張力響應

圖10　表層流速0.3 m/s時觸底點區(qū)域最大彎矩響應

vb/(m·s-1)Tav/kNMav/(kN·m)-1.01182.97262.35-0.61183.95261.13-0.41184.20260.81-0.31184.33260.650.31184.36260.600.41184.49260.440.61184.73260.141.01185.27257.53

2.3.2不同波高下管線動力響應分析

波浪載荷是重要的海洋環(huán)境水動載荷之一.研究在恒定的流速分布(見表3)和波浪周期為13s不變的條件下，分別選取波高Hw為4,6 和9 m，對管線做動力響應分析，結果見圖11～12，表4.

表3　流速沿水深分布表

圖11　波高6 m時頂部張力響應

圖12　波高6　m時觸底點區(qū)域最大彎矩響應

Hw/mTmax/kNMmax/(kN·m)41184.546260.5561184.554260.6191184.580260.63

由計算結果可知，隨著波高的增加，管線頂部軸向張力和觸底點區(qū)域最大彎矩隨時間的最大值均逐漸增大.總體看來，波高參數(shù)的變化對J型鋪管過程中管線整體的力學特性影響較小.

3結束語

1) 在J型鋪管過程中，管線的頂部和觸底點區(qū)域是兩個重要的力學特性控制位置.管線頂部呈現(xiàn)最大軸向張力，而觸底點區(qū)域是管線整體彎矩和等效應力最大的位置.

2) 鋪設水深和下放初始傾角是J型鋪管法中重要的控制參數(shù)，兩者都能夠?qū)芫€的力學特性帶來巨大影響.但是，調(diào)整這2個參數(shù)在改善管線頂部力學特性的同時，會使得觸底點區(qū)域的更加危險.鋪設下放初始傾角參數(shù)對管線最大等效應力的影響很大.

參 考 文 獻

[1]PULICIM,TRIFONM,DUMITRESCUA.DeepwatersealinesinstallationbyusingtheJ-laymethod-theBlueStreamexperience[C]∥Proc.oftheThirteenth(2003)InternationalOffshoreandPolarEngineeringConference.Honolulu:InternationalSocietyofOffshoreandPolarEngineers(ISOPE), 2003:114-120.

[2]LENCIS,CALLEGARIM.SimpleanalyticalmodelsfortheJ-layproblem[J].ActaMechanica, 2005,178(1/2):23-39.

[3]SZCZOTKAM.AmodificationoftherigidfiniteelementmethodanditsapplicationtotheJ-layproblem[J].ActaMechanica, 2011,220(1/4):183-198.

[4]WANGL,YUANF,GUOZ，etal.NumericalanalysisofpipelineinJ-layproblem[J].JournalofZhejiangUniversitySCIENCEA,2010(11):908-920.

[5]謝文博, 付明玉, 陳翠和, 等. 鋪管船定位作業(yè)時的建模與分析[J].中國造船,2011,52(3):101-108.

[6]SHIRIH,SADEGHIA.SeabedinteractioneffectsonstressdistributionalongtheJ-laypipelines[C]∥Proc.oftheTwenty-second(2012)InternationalOffshoreandPolarEngineeringConference.Rhodes:InternationalSocietyofOffshoreandPolarEngineers(ISOPE),2012.

[7]BAIY,BAIQ.Subseapipelinesandrisers[M].Amsterdam:ElsevierLtd., 2005.

[8]FUJ,YANGH.Fatiguecharacteristicanalysisofdeepwatersteelcatenaryrisersatthetouchdownpoint[J].ChinaOceanEngineering, 2010, 24(2): 291-304.

[9]楊和振, 李華軍. 深海鋼懸鏈立管時域疲勞壽命預估研究[J]. 振動與沖擊, 2010, 29(3): 22-25.

[10]王愛軍, 楊和振. 海底地形對臍帶纜深水安裝影響分析[J]. 海洋技術學報, 2010, 29(3): 59-63.

中圖法分類號：P751

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.022

收稿日期：2014-00-00

ParametricSensitivityAnalysesof
PipelineDuringDeepSeaJ-LayInstallation

WANGZhiqianYANGHezhenYANGQi

(School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering,

Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Abstract：J-Lay method is one of the most advanced methods for deep sea pipeline installation. Parametric sensitivity analysis of pipelines during J-Lay installation can help understand technical difficulties of J-Lay method and evaluate the safety. With the application of analytical calculation method and finite element method, the static and dynamic contrastive analysis of pipeline is conducted. The law and extent of pipeline mechanical response with different installation condition and ocean environment parameters are compared and summarized. The results of the analysis are shown that the top zone and touchdown region are the most important region during J-Lay installation; water depth and departure angles can make great effects on pipeline mechanical property and the departure angle parameter should be under accurate control.

Key words：pipeline; installation; J-lay method; static analysis; dynamic response

*國家自然科學基金項目(批準號：51009093，51379005)、國家自然科學重點基金項目(批準號：50739004)資助